专利名称:多终端硫族化物开关器件的制作方法
发明领域本发明一般地涉及电子开关器件。更具体地说，本发明涉及硫族化物开关器件。再具体地说，本发明涉及多终端开关器件，其中在控制终端施加的控制信号调节非控制终端之间硫族化物材料的阈值电压和/或电导率。
发明背景当今的电子器件依靠传统的硅技术。利用硅技术，能够制造电子器件(例如晶体管、二极管、开关、存储器、集成电路和处理器)，它们是制造现代的计算机和家用电子产品所需的。基于硅的电子产品已经在市场上取得了显著的成功，并且提供了多种极大地简化日常生活的便利。
基于硅的电子学在过去的几十年的发展已经在制造期间使器件小型化方面迈进了一大步。多年来，小型化趋势在许多代硅技术上忠实地跟随摩尔定律。随着器件外形尺寸变小，它使得在硅圆片的给定区域中包括更多器件，并且使实现计算机和电子产品改进的性能和速度成为可能。
由于当前预言了硅技术的进一步完善对将来的计算能力和功能的改进，因此近来有了许多对继续小型化基于硅的电子器件的预测。越来越得到一致同意的是，相信计算机工业迅速地接近硅的性能极限。当今制造技术的外形尺寸是0.18微米，并且可预计，这个尺寸在将来可以减少到大约0.10微米。然而，对外形尺寸的进一步降低被认为是有问题的，因为大约0.10微米以下的大小引起硅的基本行为方面的变化。更具体地说，随着硅器件的尺寸减少到数十毫微米和以下，硅进入量子状况行为并且不再能根据支配肉眼可见的对象的传统的物理学来工作。在量子状态下，能量状态被量化，而不是连续的，并且诸如隧道等现象导致许多器件上电子的离域。隧道的后果包括电流漏泄，因为电子逃脱一个器件到相邻器件，并且器件的独立性丧失，因为一个器件的状态影响相邻器件的状态。除了硅行为的根本变化，硅器件的尺寸的进一步降低还提出了艰巨的技术挑战。将需要诸如光刻法等制造方法的新的改革来实现较小的外形尺寸。
已经识别硅技术的两个其它缺陷。首先，安装和操作新的生产设施的成本随着外形尺寸的变小按指数规律地提高。例如，在当今的0.18微米的外形尺寸，建立新的半导体制造设备的成本超过十亿美元。这个成本随着器件变得较小以及对杂质和工艺污染更敏感而提高。
第二，逐渐认识到基于硅的计算机的功能固有地受限，因为现代计算机仍大量地得不到某些计算的答案。实例包括因子分解、并行计算、图象识别以及关联存储。类似的，由人和其它生物有机体容易和直觉地执行的许多任务对于用传统的计算机实施都是困难的、繁重的和时常不可能的。
考虑计算的将来表明需要具有新功能的新计算机，以解决更复杂的应用。需要新的计算机，它适应性强并且是柔性的，并能根据推理和智力操作。需要不受传统的计算机的刚性、蛮力问题求解方法限制的计算机。相反，需要能够响应于改变的情况的计算机，它具有区分来自多个源的信息的能力，从而即使在看上去冲突的环境下也能提供合理的输出。实现智能计算机和器件所需的功能超出了支持传统的计算机的硅技术的当前和计划的性能能力。因此，需要一种新的和革命的计算模式，它包含通用计算机以及任务特定的计算器件，及其支持的电子器件和材料。
发明内容本发明提供电子开关器件，可用于具有比当今的传统计算机更大的功能的新颖计算机和计算器件的结构中。该器件不是基于硅，而是基于硫族化物相变材料，这种材料能在电阻性的状态和导电状态之间可逆地变换。状态之间的变换通过提供能量给相变材料来实现，所提供的能量的量满足或超出一个门限能量。来自外部源的能量的至少阈值量施加到电阻状态引起材料切换到导电状态。导电状态只要在给材料提供最低量的外部能量的情况下一直持续。在终止外部能量时，材料回到电阻状态。
该器件包括用于将器件连接到其它器件或外部能量源或汇点的终端。终端可包括输入终端，用于从外部器件或源接收电能或信号并且将其提供给硫族化物材料；以及输出终端，用于从硫族化物材料传递电能或信号到外部器件。本发明的器件可包括一个或多个输入终端和一个或多个输出终端。硫族化物材料通过它的电导率确定提供给一个终端的信号被传送、传递或者在器件的另一个终端中感应的信号的程度。硫族化物材料的电导率和/或阈值可以通过从控制终端以控制信号的形式提供电能给它来控制。或者，硫族化物材料的电导率和/或阈值可以通过以光能的形式提供控制信号给它来控制。
在一个实施例中，提供具有三个或更多终端的硫族化物开关器件，其中提供给控制终端的控制信号影响一对或多对非控制终端之间硫族化物材料的阈值电压和/或电导率。
在另一个实施例中，提供具有三个与硫族化物材料进行电连接的终端的硫族化物开关器件，其中一个终端是输入终端，另一个终端是输出终端并且第三终端是控制终端。根据硫族化物材料的电导率，输出信号可能是或可能不是响应于输入信号产生的。硫族化物材料的电导率，例如可控制信号是否有效地从输入终端传递到输出终端。有效的信号传输要求硫族化物处于导电状态。在此实施例中，可以通过将一个电控制信号、比如控制电压提供给控制终端来影响输入与输出终端之间硫族化物材料的电导率。在没有控制信号的情况下，必须在输入与输出终端之间提供超过阈值的电压差，以便硫族化物材料从电阻状态切换到导电状态。阈值电压取决于包括硫族化物材料的化学成分以及输入与输出终端之间的距离的因素。如果输入与输出终端之间的电压差在阈值以下，那么硫族化物材料保持在它的电阻状态中，并且输入与输出终端之间的信号传输被阻止。在此实施例中，通过在控制终端施加适当的控制电压，能够导致输入与输出终端之间的硫族化物材料切换到导电状态，即使输入与输出终端之间的电压差低于阈值电压也一样。在此实施例中，施加足够大小的控制电压允许调节输入与输出终端之间的阈值电压。
在另一个实施例中，提供具有两个与硫族化物材料进行电连接的终端的硫族化物开关器件，其中一个终端是输入终端，并且另一个终端是输出终端。在此实施例中，通过光能源提供控制信号。在此实施例中，通过施加适当的光控制信号，能够导致输入与输出终端之间的硫族化物材料切换到导电状态，即使输入与输出终端之间的电压差低于阈值电压也一样。
所述开关器件能够连接到其它器件以形成网络。在网络中，本发明的开关器件可以用作互连设备，以调节网络中器件或电路单元之间电能和信号的传导。
附图的简要说明图1显示开关变换的硫族化物材料的伏安特性。
图2是根据本发明的一般的三端硫族化物器件的示意图。
图3是根据本发明的三端硫族化物器件的实施例的示意图。
图4表示图3所示的三端器件的伏安特性。
图5表示两个电路或网络部件之间的互连器件的三端硫族化物器件的应用。
图6表示作为三个电路或网络部件之间的互连器件的三端硫族化物器件的应用。
详细说明本发明提供基于硫族化物材料的电子开关器件。硫族化物材料的开关特性是广为人知的，并且在之前在OTS(双向阈值开关)器件中使用的。OTS已经在美国专利No.5543737、5694146和5757446中进行了描述，其公开通过引用结合到本文中。在几个杂志的文章中，包括S.R.Ovshinsky的“无序结构中的可逆电气开关现象”，PhysicalReview Letters vol.21，第1450-1453(1969)页；S.R.Ovshinsky和H.Fritzsche的“用于切换、存储和成像应用的非晶半导体”，IEEETransactions on Electron Devices，vol.ED-20，第91-105(1973)页也公开了OTS；其公开通过引用结合到本文中。
用于本发明的器件中的硫族化物材料的电气开关特性示意性地图示在图1中，图1显示硫族化物开关材料的I-V(电流-电压)特性。图1的图解对应于二端器件配置，其中两个分离配置的电极与硫族化物材料接触，并且电流I对应于在两个电极之间传递的电流。图1所示的I-V曲线显示流经硫族化物材料的电流是电极施加在材料上的电压的函数。材料的伏安特性相对于外加电压的极性对称。
为了方便起见，在下面的硫族化物开关行为的简要讨论中，考虑图1的I-V曲线的第一象限(电流和电压两个都为正的部分)。考虑极性的类似描述适用于I-V曲线的第三象限。
I-V曲线包括电阻分支和导电分支。分支标记在图1中。电阻分支对应于其中流经材料的电流在提供施加在材料上的电压的情况下仅有少量增加的分支。这个分支在I-V图中显示小的斜率并且在图1的第一和第三象限表现为几乎水平的线。导电分支对应于其中流经材料的电流在提供施加在材料上的电压的情况下显著增加的分支。这个分支在I-V图中显示为大斜率并且在图1的第一和第三象限表现为几乎垂直的线。图1所示的电阻和导电分支的斜率是说明性的而非用于限制，并且实际斜率取决于硫族化物材料的化学成分。不管实际斜率，导电分支必定显示比电阻分支大的斜率。当器件条件为硫族化物材料用I-V曲线的电阻分支上的一个点来描述时，硫族化物材料或器件可以称为处于电阻状态。当器件条件为硫族化物材料用I-V曲线的导电分支上的一个点来描述时，硫族化物材料或器件可以称为处于导电状态。
用于本发明的开关器件中的硫族化物材料的开关特性可通过参考图1进行描述。考虑二端器件配置并且从没有向其施加电压的器件开始。当没有电压施加在硫族化物材料上时，材料处于电阻状态并且没有电流流过。这个状况对应于图1所示I-V曲线的原点。随着外加电压提高，硫族化物保持在电阻状态中，直至图1的第一象限中标记为Vt的阈值电压。外加电压在0和Vt之间时I-V曲线的斜率小，并且表明硫族化物材料具有高电阻，反映为术语“电阻分支”的环境用于描述此部分I-V曲线。高电阻表示低导电率，因此流经材料的电流随着外加电压的提高仅仅微弱地增大。由于流过材料的电流很小，因此硫族化物的电阻状态可以被认为是材料的关状态。
当外加电压等于或超过阈值电压时，硫族化物材料从I-V曲线的电阻分支变换(切换)到导电分支。开关事件瞬时发生并且用图1中的虚线表示。在切换时，器件电压显著地下降，并且器件电流变得对器件电压的变化敏感得多。只要维持在图1标记为Ih的最小电流，硫族化物材料就保持在导电分支中。我们称Ih为保持电流并且关联电压Vh为器件的保持电压。如果器件状况改变以致电流变得小于Ih，那么材料正常地回到I-V图的电阻分支，并且要求重新施加阈值电压以重新开始导电分支上的操作。如果电流仅仅一瞬间(小于硫族化物材料的还原时间的时间)降低到Ih以下，则硫族化物的导电状态可以在电流恢复到Ih或以上时恢复。硫族化物材料的恢复时间已经在文章“用于切换、存储和成像应用的非晶半导体”中论述，该文章通过引用结合到本文中。
类似的开关行为发生在图1所示I-V图的第三象限。在认识到第三象限中I-V曲线的负极性后，第三象限中的开关行为类似于在上文中对第一象限的描述。例如，具有大小大于第三象限中负阈值电压的大小的外加电压导致从电阻分支切换到导电分支。
本发明的器件的切换效果来源于硫族化物材料在施加了阈值电压Vth之后，从电阻状态变换到导电状态。一个模型可用于描述支持切换变换的现象。根据该模型，阈值电压的施加引起硫族化物材料内导电通道或导电丝的形成。在阈值电压下，材料受到的电场足够高，从而导致击穿或雪崩效应，从而，电子从原子迁移，形成电荷载流子的高导电的像等离子体的丝。一些电子不再与原子结合，而是变为自由的并且具有高移动性。因此，形成导电通道或导电丝。导电丝在电阻性的硫族化物材料内构成一个导电部分。导电丝通过器件终端之间的硫族化物材料延伸，并为电流提供低电阻通道。导电丝外的硫族化物材料部分保持为电阻性的。由于电流穿过阻力最小的路径，因此导电丝的存在使得硫族化物材料导电，并且建立导电状态。导电丝的产生是支持硫族化物材料从电阻状态到导电状态的切换的事件。
导电丝在器件终端之间维持着，只要器件电流保持在保持电流或者保持电流以上。导电丝出现在沿导电分支的所有点上，但丝的横截面积对于沿导电分支的不同点而不同。丝的横截面积横截电流方向。根据导电分支内的工作条件，丝可以是窄的或者宽的。随着外加电压沿导电分支的提高，丝的横截面随着外加电压的提高而扩大。扩大的丝表示更大量的硫族化物材料显示高导电性。因此，随着外加电压的增大，硫族化物材料能够支持更大的电流，如I-V曲线的导电分支所示。施加到在导电分支下工作的硫族化物材料上的电压变化改变横截电流方向的方向中丝的宽度或厚度。改变在导电分支下工作的硫族化物材料的外加电压的总效应是修改导电和电阻性的部分的体积分数。
许多化学成分的硫族化物材料经历上述切换效果。典型的硫族化物材料为那些包括一个或多个周期表的第VI列元素(硫族元素)并且选择性地包括一个或多个第III、IV或V列的化学改性剂。S、Se和Te中的一个或多个是本发明的器件的活性物质中最常见的硫族元素。硫族元素的特征在于二价结合以及孤对电子的存在。二价结合导致在组合硫族元素以形成硫族化物材料时形成链和环状结构，并且孤对电子提供用于形成传导丝的电子源。三价的和四价的改性剂，比如Al、Ga、In、Ge、Sn、Si、P、As和Sb进入硫族元素的链和环状结构并且提供分支和交联的点。硫族化物材料的结构刚度取决于交联的程度并且根据它们承受结晶或其它结构重排的能力，导致硫族化物材料大致分类为两个类型之一阈值材料和存储材料。
两种类型的硫族化物材料显示图1所示的开关行为，但是在它们的响应成丝的结构上不同。阈值材料一般比存储材料具有更高的改性剂浓度和更高度的交联。因此，它们在结构上更加刚性。阈值材料是无定形的，并且显示几乎没有结晶的倾向，因为集结和生长结晶相所要求的原子重排由于结构的刚性而被抑制。阈值材料在切换之后移去外加电压时保持无定形。
相反地，存储材料少许交联，并且更容易进行全结晶或部分结晶。无定形存储材料在存在如以上图1所述的阈值电压时形成导电丝。但是，一旦在导电分支中，存储材料可核化和生长结晶相。结晶相的体积分数取决于流经存储材料的电流的大小和时间。在切换之后移去外加电压时仍然保持结晶相。通过适当的选择器件工作条件，硫族化物存储材料的无定形结晶转变在许多周期上变得可逆。硫族化物存储材料已经在美国专利No.5166758；5296716；5534711；5536947；5596522；和6087674中进行了论述，其公开通过引用结合于本文中。
本发明的器件通过多终端器件在先有技术的二端器件进行了改进，利用本发明的多终端器件，有可能控制导致硫族化物材料内的预定位置中的切换和成丝所需的工作条件。本发明的器件的一些实施例包括与硫族化物材料电连接的一个或多个输入终端、一个或多个输出终端以及一个或多个控制终端。在本发明的器件中，控制终端上的适当的控制信号影响器件的第一终端和器件的第二终端之间硫族化物材料的电导率或阈值开关电压。在没有控制信号时，在施加一个阈值电压时，硫族化物材料从电阻状态切换到导电状态，其中阈值电压的大小对应于对应二端器件配置中第一和第二终端之间的阈值电压。本发明的多终端器件的控制终端上一个适当的控制信号的出现，允许将第一和第二终端之间的阈值电压调节为不同于在对应二端器件配置中获得的大小的电压。同样，当在本发明的器件的第一终端和第二终端之间施加一个亚阈值电压时，施加控制信号可导致硫族化物材料从电阻状态变换到导电状态，从而改变两端之间的硫族化物材料的电导率。因此，即使当施加在两端之间的电压低于对应两端器件的阈值电压的情况下，也可以在一个终端和另一个终端之间实现高导电性。在这些实施例中，控制信号可以是诸如电流或电压的电信号。
在本发明的其它实施例中，控制信号是光信号。根据这些实施例的器件包括与硫族化物材料电连接的第一终端和第二终端，其中光源提供的光控制信号用来控制第一和第二终端之间硫族化物材料的电导率或阈值电压。光控制信号提供能量给硫族化物材料，并且可以施加到选择的硫族化物材料部分或整个的硫族化物材料上。适当的光源包括白炽灯、激光器、二极管、光纤或波导提供光、或包括含Se的那些的光学硫族化物材料提供的光。连续方式或脉冲方式工作的光源都在本发明的范围内。
本发明的器件的一个实施例是一个三端的器件，具有与硫族化物材料电连接的第一终端、第二终端和控制终端。这个实施例的图解显示在图2中。在此实施例中，控制终端可用于调节第一和第二终端之间硫族化物材料的电导率，或者调节必须施加在第一和第二终端之间以导致硫族化物材料从电阻状态变换到导电状态的阈值电压。第一和第二终端在本文中还可称为非控制终端、输入和/或输出终端、或负载和参考终端。终端同时可称为电极，并且可包括含单个层或化学成分的终端以及包括两个或更多层的终端。
在本发明的一些实施例中，本发明的器件的终端和硫族化物材料之间的电连接是直接的，由此电流从终端传送到硫族化物材料。在本发明的其它实施例中，本发明的器件的终端和硫族化物材料之间的电连接是间接的，由此，终端的电效果(比如电位或场)影响硫族化物材料，而没有电流通道。
在一个实施例中，终端包括与阻挡材料接触的导电材料，其中阻挡材料与器件的硫族化物材料接触。在另一个实施例中，终端包括导电材料和阻挡材料，其中导电材料和硫族化物材料之间的电连接通过阻挡材料发生。在又一个实施例中，终端包括配置在两个导电材料之间的硫族化物材料，其中导电材料之一与本发明的器件的工作中的硫族化物材料电连接。在此实施例中，终端可以是两个终端的硫族化物器件，比如双向阈值开关，其中终端的电导率用包括在终端内的硫族化物材料的电阻率控制。还可使用存储类型硫族化物材料。在这些实施例中，终端可以是电阻性的或导电性的，从而控制控制信号或输入信号访问本发明的器件的工作的硫族化物。在另一个实施例中，终端可以是场效应电极，包括介入在导电材料和工作的硫族化物之间的薄的介质层。这样一个电极的操作原理类似于MOSFET中栅电极的原理。介质层抑制电流从导电材料到工作的硫族化物的传导，但是足够薄以允许存在于导电材料中的电场影响硫族化物材料。
具有多于三端的类似实施例也在本发明的范围中。在这些实施例中，具有多个输入、输出和/或控制终端的器件都在本发明的范围内。本发明的优选实施例是其中不同终端互相电隔离，而任何终端对之间的电连接或信号传输通过硫族化物材料发生。电连接和信号传输包括诸如电荷、电流或电压的电效果的通信或传输。电隔离可通过例如具有绝缘材料的单独电极，或者通过分开放置电极而发生。
实例1根据本发明的器件结构的一个实例如图3所示。图3显示三端器件结构的剖视图。三个终端标记为T(1)、T(2)、和T(3)。多个这些器件形成在一个6″的硅圆片上。晶片上的器件和层利用传统的溅射、化学气相淀积、蚀刻、以及石版印刷技术形成。结构包括硅圆片衬底10、热氧化层20、包括由TiW或Ti和TiN的组合形成的导电层40和碳阻挡层50的底部电极30、SiOX/SiNX隔离区60、由TiW形成的控制电极70、硫族化物材料80、包括碳阻挡层100的上部电极90以及包括Ti和TiN的导电层110、以及Al层120。在此实例中，硫族化物材料80为Ge2Te2Sb5，并且在图3中标记为GST。阻挡层抑制材料漫射和电迁移到硫族化物区，并且改进器件的循环寿命。典型的层厚度如下导电层40(100nm)、阻挡层50(30nm)、控制电极70(10-40nm)、阻挡层100(100nm)、以及导电层110(100nm)。此实例的器件中硫族化物材料占用的区是圆柱形的，高度大约0.1微米并且直径大约1微米。硫族化物材料占用的区在本文中可以称为孔、孔区等等。电极30、70和90与硫族化物电连接，并且对应于图2所示的终端。控制电极70限定硫族化物材料80。上部电极90和底部电极30还可分别称为负载电极和参考电极。在一个优选实施例中，参考电极接地。电极用绝缘材料分隔，以便通过硫族化物材料发生电极之间的电连接。
实例2在此实例中，描述图3所示的三端器件结构的特性的几个测试结果。对从晶片上形成的器件中随机选择的几个不同器件进行测试。图4总结了本发明人完成的一些测试的结果。图4显示用于本发明的三终端器件的I-V图的第一象限。电流I对应于结构的负载(顶部的)和参考(底部)电极之间传递的电流，并且电压V对应于施加在负载和参考电极之间的电压。对施加到控制电极的几个不同控制电压确定负载和参考电极之间的I-V关系。在测试中，将恒定大小的控制电压施加到控制终端，并且测量负载和参考电极之间的电流，作为施加在负载和参考电极之间的电压的函数。控制电压以长持续时间电压脉冲的形式施加(如3微秒)并且负载和参考电极之间的电压以短脉冲的形式施加(如100毫微秒)同时也施加控制电压。在此实例中，控制电压施加在器件的控制电极和参考电极之间。
图4中的数据表示施加控制电压给控制电极可用于调节负载和参考电极之间的阈值电压。不同的I-V曲线对应于利用不同控制电压的测试。与各个I-V曲线关联的控制电压在图4中用一个标记表示。标记为“0-2V”的I-V曲线显示器件在0和2V之间的控制电压的行为，含0和2V。由于在此范围中，器件的伏安特性基本上对于控制电压是一样的，因此在此电压范围给出了用于几个测试的单一曲线。″0-2V″数据表示从0V直至大约1.56V的阈值电压延伸的I-V曲线的电阻性分支。一旦达到阈值电压，器件切换到导电分支。如以上在图1中论述的，用I-V曲线中负的斜线表示切换变换。
当控制电压增至高于2V时，观察到阈值电压下降。标记为“2.5V”的I-V曲线表示2.5V的控制电压使阈值电压降低超过10％，得到稍低于1.4V的一个值。控制电压进一步地提高到3V导致阈值电压大约下降25％到大约1.2V。当施加4V的控制电压时，有效地排除阈值电压并且负载和参考电极之间的硫族化物材料在测试的整个外加电压范围都处于它的导电状态。
图4所示的测试数据显示通过施加控制电压给控制终端，从而调节多终端器件的两个电极之间阈值电压的能力。调节效果表示在本发明的多终端器件中可完成的但是在标准的二端器件中不具备的功能。
虽然不希望用理论束缚，但本发明人相信施加足够大小的控制信号给控制终端可便于在多终端器件的两个非控制终端之间形成导电丝。便于成丝表现为将两个非控制终端(如输入和输出终端、两个输入终端两个输出终端、负载和参考终端等等)之间的硫族化物材料切换到导电状态所需的阈值电压的大小的下降。便于成丝所要求的最小控制信号可以被认为是临界控制信号。在上面的实例2中，例如，临界控制电压是2V和2.5V之间的电压。
本发明人相信，临界控制信号是在控制终端和非控制终端之间的硫族化物材料内形成丝所要求的最小信号。在实例2中，临界控制电压被认为在器件的控制终端和参考终端之间形成丝。此丝的存在被认为是以这样的方式改变了硫族化物材料，即降低了负载和参考电极之间形成丝所要求的阈值电压。在控制和参考电极之间的导电丝的存在可在硫族化物材料内产生极化电场或电位，它降低了在其它部分的硫族化物材料中形成丝所要求的能量。
随着控制信号上升到临界值以上，控制电极和参考电极之间丝的横截面被认为增大并且认为更大量的硫族化物材料受到控制信号的影响。在实例2中，随着控制电压的增大，负载和参考电极之间阈值电压的下降可能是由于控制和参考电极之间丝的扩张引起的。这个丝的扩张表示丝的边界变得更接近负载电极。更接近提示要求较小电场，由此较小的阈值电压来建立负载和参考电极之间的丝。丝可例如通过控制和参考电极之间的一束丝形成在负载和参考电极之间。在这种分支过程中，负载和参考电极之间的一部分丝存在于控制和参考电极之间出现的丝内，并且完成成丝所要求的电压可以是在负载电极和沿现有丝的某个点、分支点之间形成丝所要求的电压。由于负载电极和现有丝的分支点之间的距离很可能小于负载和参考电极之间的距离，因此，完成到负载电极的丝所要求的电场或者电压的大小降低了。在充分高于临界控制信号以上的某个控制信号处，可以预期，在控制电极和参考电极之间形成的丝充分地扩大，丝的边界与负载电极重叠或者与之接触。当这种情况发生时，人们相信负载和参考电极之间阈值电压降低到零。尽管当时是推测性的，但此模型与图4所示的数据一致。
除了调节两端之间的阈值电压，本发明的多终端器件可用于调节两端之间硫族化物材料的电导率。这个能力可利用图3所示的代表性器件结构和图4所述的数据证明。举例来说，考虑在没有控制电压的情况下负载和参考电极之间施加1.5V的电压。如图4所示，负载和参考电极之间施加1.5V的电压不能开关器件，因为1.5V低于阈值电压。负载和参考电极之间的硫族化物材料因此保持在电阻状态中，并且负载和参考电极之间的电导率低。
通过施加足够大小的控制电压同时维持负载和参考电极之间的亚阈值电压，可以使负载和参考电极之间发生切换事件变得可能，从而导致负载和参考电极之间硫族化物材料的电导率的明确提高。在负载和参考电极之间施加1.5V亚阈值电压的情况下，0和2V之间的控制电压没有减少阈值电压或者影响负载和参考电极之间硫族化物材料的电导率。可是，2.5V的控制电压使阈值电压下降到低于1.5V，从而导致负载和参考电极之间的硫族化物材料从电阻状态变换到导电状态。变换伴随有负载和参考电极之间电压的下降，以及电流的增加。负载和参考电极之间电压下降到保持电压或者保持电压以上的电压。而器件是电阻性的并且在没有控制信号的情况下，禁止负载和参考电极之间的信号传输，当提供足够大小的控制电压时，器件变成导电的，并且更容易传递信号。适当的控制信号可因此用来在两个非控制电极之间提供亚阈值电压时，增大其间硫族化物材料的电导率。两个非控制电极之间硫族化物材料的电导率可类似地通过移去或者降低施加到控制终端的控制信号的大小来增大。因此，对控制信号的定时、持续时间和/或大小的正确控制可用来调节两个非控制终端之间硫族化物材料的电导率。
包括多于三端的对应实施例也在本发明的范围中。在这些实施例中，任何终端可相对于任何两个非控制终端用作控制终端。举例来说，考虑一种四个终端的硫族化物器件，其中终端标记为1、2、3、和4。终端1可用作终端2和3、2和4或者3和4的控制终端。比如终端1到终端2、3和4的相对接近度以及出现在终端2、3和4上的电压影响终端对，在该终端对之间，终端1调节硫族化物材料的阈值电压或者电导率。如果，例如接近阈值电压的电压提供在终端2和3上，同时没有电压提供在终端2和4之间，则由终端1提供的控制信号很可能调节终端2和3之间的阈值电压或者电导率，而不是终端2和4之间的。在适宜条件下，也可能的是，终端1调节终端2、3和4的组中多于一对终端之间的硫族化物材料的阈值电压或者电导率。还可以给两个终端提供控制信号。例如，提供给终端1和2的控制信号可调节终端3和4之间硫族化物材料的阈值电压或者电导率，类似的论点适用于具有多于四个终端的实施例。
本发明的器件的多终端实施例包括具有多于一个控制终端并且在多于一个控制信号的影响下操作的器件。多个控制信号可以是电信号、光信号或者电和光信号的组合。
本发明的器件的终端可位于各种立体构造中。所有终端，例如可位于共同的平面或层或者二维电路中。或者，一个或多个终端可以位于其它终端所处的平面之外。根据本发明的三端器件，例如可以在公共水平层中具有两个终端和硫族化物材料，并且第三终端相对于那个层垂直配置。这种配置提供了垂直互连能力。具有多于三端的器件的类似实施例也在本发明的范围中。
本发明的器件可以与其它器件或者单元组合，以形成电路或网络。在一个实施例中，本发明的器件可以用作两个或更多单元之间的互连器件。在这个实施例中，本发明的器件中存在的硫族化物材料电导率影响连接到本发明的器件的两个或更多单元之间的电连接。这个实施例的图解显示在图5中。图5显示了通过三端硫族化物互连器件220连接到电路或网络部件210电路或网络部件200。互连器件220包括与硫族化物材料260电连接的互连终端230和240、控制终端250。单元200和210可以是诸如晶体管、二极管、硅器件、其它硫族化物器件或电路的单个器件，或者是包括多个器件的网络。单元之一还可以是地。
施加控制信号到互连器件220的控制终端以调节互连终端230和240之间硫族化物材料的电导率，从而提供用于控制单元200和210之间电连接或信号传输的程度的手段。当硫族化物材料260处于电阻状态时，互连器件220的电导率低并且从单元200到单元210的信号传输(或反之亦然)是弱的或者不存在的。单元200和210基本上彼此电隔离，使得例如两个单元之一产生的电流或电压基本上不会由两个单元中的另一个检测到，或者基本上不影响两个单元中的另一个的行为。当硫族化物材料260处于导电状态时，互连器件220的电导率为高，并且从单元200到单元210的信号传输(或者反之亦然)是好的。两个单元之一产生的电压或者电流容易地传递到两个单元中的另一个。
如上所述，硫族化物材料260的电导率的状态可以受施加适当的控制信号给控制终端250的影响。控制信号可导致硫族化物材料从电阻状态到导电状态的变换，从而允许信号传输以及互连单元200和210之间的电连接。导致切换变换所要求的控制信号的大小取决于两个互连终端230和240之间存在的电压差。电压差越大，控制信号必需的大小就越小。去除控制信号或者存在不够大的控制信号可能不能导致切换变换，从而得到或者维持硫族化物材料处于电阻状态并且禁止单元200和210之间的信号传输或者电连接。具有多于三个终端，其中控制终端调节一对或多对非控制终端之间硫族化物材料的阈值电压或者电导率的对应实施例也在本发明的范围之内。
在另一个实施例中，三端硫族化物器件用来互连如图6所示的三个电路或者网络部件。在这些的实施例中，电路或者网络部件400、410和420通过一个三端互连器件430彼此互连，该互连器件430包括与硫族化物470电连接的互连终端440、450和460。在这个实施例中，三个互连终端中的任意终端可用作控制终端，用于调节另两个互连终端之间硫族化物材料的阈值电压或者电导率。举例来说，单元410通过互连终端440提供的信号可以用作相对于互连终端450和460之间硫族化物材料的阈值电压或者电导率的控制信号，从而用于调节或者控制单元400和420之间的信号传输或者电连接。单元400和互连终端460同样地可相对于单元400和410使用。在这个实施例中，控制信号的大小由电路或者网络部件产生的信号确定。具有多于三端的硫族化物器件用来互连多于三个电路或网络部件的对应实施例也在本发明的范围内。
尽管图5和6的图解说明表示二维配置中的电路或网络部件的互连，但三维互连也在本发明的范围内。一个或多个终端可以垂直地配置或者与硫族化物材料或其它终端非共面。控制信号例如可以从与硫族化物材料存在的平面正交的终端或器件提供。
在其它实施例中，本发明的多终端器件可提供信号给电路或网络中的其它器件或单元。如上所述，当在硫族化物器件的两个终端之间施加一个亚阈值电压(例如负载和参考终端)时，有可能导致那两个终端之间的硫族化物材料通过施加由与硫族化物材料电连接的控制终端提供的一个控制信号而切换。切换伴随有负载和参考终端之间电压大小的下降以及电流大小的增加。电压和电流的这些变化可以用作给电路或网络中其它器件或单元的输入信号。举例来说，考虑以上的图5所述的器件布置，其中互连终端230和240上的电压是一个亚阈值电压并且硫族化物材料处于电阻状态。如果临界大小的控制信号随后施加到控制终端250上，则发生互连终端230和240之间的硫族化物材料切换到导电状态。切换伴随有互连230和240之间电压和电流的改变，如上所述，并且某电压和电流改变可以作为到单元210和/或单元200的输入或驱动信号。本文所述的本发明的三端实施例原则和操作模式类似地扩展到具有多于三个终端的多终端器件。
本文所述的公开和讨论是说明性的而非旨在限制本发明的实践。本发明的大量等效体和变化都被视为在本发明的范围之内。下面的权利要求
书，包括所有的等效体，与以上的公开一起，限定本发明的范围。
权利要求
1.一种电子开关器件，包括第一终端；第二终端；第三终端；以及与所述第一终端、所述第二终端和所述第三终端电连接的硫族化物材料。
2.如权利要求
1所述的器件，其中所述第三终端是控制终端，并且施加控制信号给所述控制终端以调节所述第一终端和所述第二终端之间所述硫族化物材料的电导率。
3.如权利要求
2所述的器件，其中所述控制信号是电压或电流。
4.如权利要求
3所述的器件，其中所述控制信号以电压脉冲或电流脉冲的形式提供。
5.如权利要求
2所述的器件，其中所述控制信号由硫族化物材料提供。
6.如权利要求
1所述的器件，其中所述第一终端、所述第二终端或所述第三终端中的任意两个终端之间的电连接通过所述硫族化物材料发生。
7.如权利要求
2所述的器件，其中所述硫族化物材料具有电阻状态和导电状态，所述硫族化物材料在受到大小超过阈值电压的电压时，从所述电阻状态变换到所述导电状态、所述硫族化物材料在所述第一终端和所述第二终端之间具有第一阈值电压，并且在所述控制终端和所述第一终端之间具有第二阈值电压。
8.如权利要求
7所述的器件，其中所述控制信号调节所述第一阈值电压。
9.如权利要求
8所述的器件，其中所述第一阈值电压的大小被降低。
10.如权利要求
9所述的器件，其中所述降低至少为10％。
11.如权利要求
9所述的器件，其中所述降低至少为25％。
12.如权利要求
7所述的器件，其中所述控制信号的施加导致所述控制终端和所述第一终端之间的电压差的大小超过所述第二阈值电压的大小。
13.如权利要求
1所述的器件，其中所述第一终端、所述第二终端和所述第三终端包括导电材料。
14.如权利要求
13所述的器件，其中至少一个所述终端还包括阻挡材料。
15.如权利要求
13所述的器件，其中至少一个所述终端还包括硫族化物材料。
16.如权利要求
1所述的器件，其中所述第一终端、所述第二终端和所述第三终端中的至少一个是场效应电极。
17.如权利要求
1所述的器件，其中所述第一终端、所述第二终端和所述第三终端与所述硫族化物材料进行直接的电连接。
18.如权利要求
1所述的器件，其中所述硫族化物材料包括从由S、Se、和Te构成的组中选择的元素。
19.如权利要求
18所述的器件，其中所述硫族化物材料还包括Ge或Sb。
20.如权利要求
18所述的器件，其中所述硫族化物材料还包括As或Si。
21.如权利要求
18所述的器件，其中所述硫族化物材料还包括从由Al、In、Bi、Pb、Sn、P、和O构成的组中选择的元素。
22.如权利要求
18所述的器件，其中所述硫族化物材料还包括过渡金属。
23.如权利要求
1所述的器件，其中所述第一终端、所述第二终端和所述第三终端不是共面的。
24.如权利要求
1所述的器件，还包括与所述硫族化物材料进行电连接的一个或多个另外的终端。
25.一种电子开关的方法，包括如下步骤提供权利要求
1所述的器件；以及提供信号给所述第三终端，所述信号改变所述第一终端和所述第二终端之间所述硫族化物材料的电导率。
26.一种电子开关的方法，包括如下步骤提供权利要求
7所述的器件，所述器件的所述第一终端和所述第二终端之间所述硫族化物材料处于所述导电状态或所述电阻状态之一；以及提供所述控制信号给所述控制终端；所述控制信号将所述第一终端和所述第二终端之间所述硫族化物材料变换到所述导电状态或所述电阻状态中的另一种状态。
27.一种电子开关器件，包括第一终端；第二终端；与所述第一和第二终端电连接的硫族化物材料；以及光源，所述光源提供光控制信号给所述硫族化物材料，所述光控制信号调节所述第一和第二终端之间所述硫族化物材料的电导率或阈值电压。
28.如权利要求
27所述的器件，其中所述光源是激光器。
29.如权利要求
27所述的器件，其中所述光源包括光学硫族化物材料，所述光学硫族化物材料提供所述光控制信号。
30.如权利要求
29所述的器件，其中所述光学硫族化物材料包括Se。
31.一种电路，它包括第一单元、第二单元和互连单元，所述互连单元控制所述第一和第二单元之间电连接，所述互连单元包括权利要求
1的器件，所述第一单元与所述第一终端电连接，所述第二单元与所述第二终端电连接。
32.如权利要求
31所述的电路，还包括第三单元，所述第三单元与所述互连单元的所述第三终端电连接。
33.如权利要求
31所述的电路，其中所述互连单元提供信号给所述第一单元或所述第二单元中的一个，在所述互连单元的所述硫族化物材料从电阻状态变换到导电状态或者从导电状态变换到电阻状态时产生所述信号。
专利摘要
多终端电子开关器件包括可在电阻状态和导电状态之间切换的硫族化物材料。器件包括第一终端、第二终端和控制终端。施加控制信号到控制终端将调节第一和第二终端之间硫族化物材料的电导率和/或将第一和第二终端之间的硫族化物材料从电阻状态切换到导电状态所需的阈值电压。器件可以用作电路和网络中的互连器件或信号提供器件。
文档编号H01L45/00GK1993842SQ20048001236
公开日2007年7月4日 申请日期2004年2月4日
发明者S·R·奥欣斯基, B·帕斯马科夫 申请人:能源变换设备有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan